Correlazioni tra microstruttura e proprietà meccaniche ed effetto della permanenza in temperatura in leghe Al-Si-Mg ed Al-Cu trattate termicamente

Ottima attitudine a processi di deformazione plastica e fusori, alta resistenza alla corrosione e soprattutto elevata resistenza specifica, hanno reso le leghe di alluminio da trattamento termico fra le migliori candidate per applicazioni strutturali nel settore dei trasporti. L’esigenza industriale moderna è, infatti, quella di produrre veicoli sempre più leggeri e con motori dalle sempre maggiori potenze specifiche, al fine di garantire contemporaneamente alte prestazioni nel rispetto delle sempre più stringenti normative. Per raggiungere tale obiettivo, la tendenza ormai consolidata è quella di un uso crescente di leghe d’alluminio anche per gli elementi più critici, quali teste, basamenti motore e pistoni. Numerosi studi hanno evidenziato che una criticità, soprattutto per le leghe da fonderia, è costituita dalla forte dipendenza delle proprietà meccaniche locali dalla microstruttura e dai difetti di solidificazione. Porosità da gas, cavità da ritiro e film di ossido, ne riducono infatti drasticamente resistenza a fatica e duttilità. Inoltre, anche quando questi difetti riescano ad essere contenuti a livelli particolarmente ridotti, tramite l’adozione di opportune pratiche di fonderia, altri parametri microstrutturali, come la distanza fra i rami secondari delle dendriti (SDAS), le dimensioni del grano e le caratteristiche degli eutettici e/o intermetallici presenti, influenzano in maniera consistente le proprietà del materiale. Particolarmente nel caso di getti a geometria complessa, le proprietà meccaniche sono dunque una caratteristica puntuale e questo comporta evidenti criticità nella fase di progettazione degli stessi: il materiale non potrà essere sicuramente considerato continuo, omogeneo ed isotropo. Altro aspetto di rilevanza fondamentale, sia per le leghe da fonderia che da deformazione plastica trattate termicamente T6, è che, nel caso di componenti destinati a lavorare a temperature superiori a quelle di invecchiamento, si assiste ad un deterioramento delle proprietà meccaniche funzione del tempo e temperatura di esposizione. Questo, comporta un’ulteriore ed evidente complicazione progettuale. Questo lavoro rientra all’interno di due ampi progetti di ricerca portati avanti, in collaborazione con due note aziende nel campo auto e motociclistico, con l’obiettivo di sviluppare un’innovativa metodologia di progettazione di componenti motore in lega d’alluminio, ottenuti per fusione e sollecitati termomeccanicamente, integrando aspetti progettuali/strutturali, metallurgici e tecnologici attraverso l’implementazione di moderni sistemi di simulazione. Obiettivo di questo lavoro, è stato dunque quello di supportare e legare fra loro le fasi di simulazione di colata e di simulazione strutturale di getti complessi in lega Al-Si-Mg. Nel primo caso, si sono forniti tutti i dati per l’opportuna definizione delle condizioni a contorno del problema, nonché per la verifica dei risultati delle simulazioni, in termini di distribuzione di difettosità e SDAS. Nel secondo caso, si sono forniti dati di caratterizzazione meccanica del materiale (trazione e fatica), che contribuissero a superare le ipotesi semplificative di continuità, omogeneità, isotropia e costanza nel tempo delle proprietà meccaniche. Nel corso del progetto, la parziale trasferibilità dei risultati ottenuti in campo metallurgico su componenti ottenuti per fusione (teste e basamenti motore), a componenti sottoposti a deformazione plastica (pistoni), ha consentito un ampliamento del campo di ricerca. Con maggiore dettaglio, le attività svolte hanno previsto la valutazione dello stato dell’arte, relativo a microstrutture, proprietà meccaniche e trattamento termico, inerenti alcune leghe Al-Si-Mg (Al-Cu). In un secondo momento, si è provveduto all’estrazione del materiale sperimentale da teste motore in lega EN AC-42100 e da pistoni forgiati in lega EN AW-2618 ed EN AW-4032. Tramite tecniche di microscopia ottica, microscopia elettronica in scansione ed analisi di immagine, è stato dunque ampiamente investigato l’effetto del processo produttivo sulle microstrutture di teste motore colate in conchiglia in lega EN AC-42100 T6 [AlSi7Mg0,3]. Sono stati valutati il contenuto di difetti, la distribuzione di SDAS e l’ effetto degli affinanti ed degli agenti modificatori su dimensioni del grano e morfologia del Si eutettico. Analogamente, si è evidenziato come la forgiatura di leghe di alluminio per la produzione pistoni, quali la EN AW-2618[AlCu2MgNi] e la EN AW-4032 [AlSi12MgCuNi], comporti una disomogeneità microstrutturale (e quindi di proprietà) all’interno del componente. Tramite prove di durezza, trazione e fatica, si è indagato l’effetto della microstruttura sulle proprietà meccanica della lega EN AC-42100 T6, quantificando il contributo di ogni caratteristica microstrutturale nella definizione delle proprietà statiche e dinamiche. Sono stati, a riguardo, proposti modelli empirici di previsione della resistenza a trazione (UTS), della resistenza a snervamento (YS) e dell’allungamento a rottura (E%) in funzione di durezza, SDAS, contenuto di difetti e dimensione media del Si eutettico della lega. I risultati hanno evidenziato errori medi del 3% nella previsione di UTS ed YS e del 20% nella previsione di E%. La caratterizzazione a fatica del materiale ha invece evidenziato grandi dispersioni dei dati, per ridotte tensioni di carico, conducendo a risultati significativi solo per tensioni alterne di 70 MPa. In questo caso, è stata rilevata una buona dipendenza tra il numero di cicli a rottura del materiale ed i valori di SDAS e del contenuto medio di difetti (R2∼0,6). E’ stato studiato l’effetto della temperatura sulle proprietà tensili della lega da fonderia EN AC-42100 T6 e sulle leghe da deformazione plastica EN AW-2618 T6 e la EN AW-4032 T6. Nel primo caso, è stato condotto uno studio sia delle diverse fasi del trattamento termico, che della variazione di proprietà del materiale allo stato T6 con l’esposizione ad alta temperatura. Si è così evidenziato come un pre-invecchiamento a temperatura ambiente anche di sole 2 h, potesse ridurre le tensioni di rottura e snervamento di circa il 20% e l’allungamento a rottura di circa il 30%. Inoltre, si è visto come la durezza residua e lo SDAS siano le variabili fondamentali per definire il comportamento meccanico del materiale nel suo stato sottoinvecchiato, di picco e sovrainvecchiato. Anche in questo caso, sono stati proposti modelli empirici di previsione delle proprietà meccaniche tutti caratterizzati da coefficienti di determinazione molto alti (R2>0,8). La previsione dell’allungamento a rottura ha fatto registrare coefficienti leggermente inferiori (R2∼0,7), evidenziando l’importanza dello SDAS nel definire questa proprietà. Nel caso invece delle leghe da deformazione plastica, gli effetti della microstruttura sono risultati minori, con al massimo una variazione del 5% in funzione della zona di estrazione del campione. La durezza residua del materiale, allo stato sovrainvecchiato, è risultata il parametro necessario e sufficiente per definire tutte le proprietà del materiale (UTS, YS, E%, coefficienti di resistenza K ed incrudimento n) con grande precisione (R2∼0,9). Con l’obiettivo di verificare i dati sperimentali ottenuti, si è proceduto, in ultima istanza, con lo sviluppo di un applicativo in ambiente MATLAB®, per il calcolo delle proprietà meccaniche residue delle leghe studiate, dopo un‘esposizione a temperatura variabile. I risultati, ottenuti con cicli di prova a T costante, hanno evidenziato scarti ridotti nella previsione della durezza residua (max 4%), mentre errori maggiori sono stati riscontrati in applicazioni su cicli transitori fra due temperature, ma con grandi margini di ottimizzazione. In conclusione, l’obiettivo di supportare la nuova metodologia di progettazione di componenti sollecitati termo-meccanicamente, che vede integrate le fasi di progettazione meccanica e tecnologica, al fine di ridurre tempi e costi di sviluppo prodotto, è stato pienamente raggiunto. I risultati ottenuti, in termini di quantità e qualità, hanno rappresentato un passo significativo in questa direzione che, per essere totalmente intrapresa in ambito aziendale, ha bisogno di vincere le resistenze di un sistema progettuale con una storia consolidata e ricca di successi quale quella di Ferrari S.p.A. I grandi cambiamenti sono frutto però di piccoli passi successivi, uno dei quali è costituito da questo studio e dal progetto nell’ambito del quale questo è stato realizzato